Neues bei Materialien für den 3D-Druck:Nachverfolgen der jüngsten Fortschritte 

In einer noch immer reifenden 3D-Druckindustrie werden Fortschritte bei der Materialentwicklung und -zertifizierung gemacht. Die Senvol-Datenbank listet beispielsweise bis zu 2.245 verschiedene AM-Materialien im Jahr 2020 , verglichen mit rund 1.700 Materialien im letzten Jahr, was einer Steigerung von etwa 30 Prozent entspricht.

Um mit den jüngsten Fortschritten auf dem Markt für 3D-Druckmaterialien Schritt zu halten, untersuchen wir heute, was es Neues bei 3D-Druckmaterialien gibt und was dies für die Zukunft der Branche bedeutet.

3D-Druckmaterialien für medizinische und zahnmedizinische Anwendungen

In der Medizinbranche wird der 3D-Druck bereits verwendet, um orthopädische Implantate, chirurgische Werkzeuge und zahnärztliche Geräte herzustellen. Und heute unterstützt die Technologie aktiv den Kampf gegen die COVID-19-Pandemie, indem sie Testtupfer, Gesichtsschutzschilde und medizinische Geräteteile herstellt.

Die Einführung des 3D-Drucks für medizinische Anwendungen hat die Materialentwicklung für die Branche beschleunigt.

Ein Wachstumsbereich sind Hochleistungspolymere für den 3D-Druck von Implantaten. So hat der Spezialchemie-Konzern Evonik im vergangenen Monat die Markteinführung von PEEK-Filamenten in Implantatqualität angekündigt.

Das Material soll die Anforderungen von ASTM F2026 erfüllen, der Standardspezifikation für PEEK-Polymere für chirurgische Implantatanwendungen. Das neue Material ist laut Evonik das erste auf PEEK basierende Filament auf dem Markt, das in der Orthopädie und Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie eingesetzt werden kann.

In ähnlicher Weise hat Andaltec, ein spanisches Forschungszentrum, bekannt gegeben, dass es einen neuen Satz aktiver Polymere für den 3D-Druck von Medizinprodukten entwickeln wird.

Das Projekt mit dem Namen PoliM3D sieht die Charakterisierung neuer antibakterieller und schmerzstillender Filamente für FDM-3D-Drucker vor. Diese neuen Filamente werden zur Herstellung maßgeschneiderter Implantate, Prothesen und chirurgischer Instrumente verwendet.

Darüber hinaus hat der polnische Hersteller von 3D-Druckfilamenten Spectrum Filaments ein neues Filament für medizinische Anwendungen auf den Markt gebracht – ABS Medical.

Das neue Filament besteht aus ABS-Granulat, einem Material, das die Anforderungen der biologischen Konformität von USP-Zertifikaten in Klasse VI oder ISO 10993-1 gemäß Spectrum erfüllt.

Es ist auch für den Kontakt mit Lebensmitteln zugelassen, gemäß EU-Standards Nr. 10/20111 und 21 CFR FDA. Das Material zielt auf Anwendungen ab, darunter Stützstrukturen für die Rehabilitation und leichte Prothesen.

Zahnmaterialien 

In der Dentalindustrie gibt es einen wachsenden Trend zum 3D-Druck von Dentalmodellen und zunehmend zu Endverbrauchsprothesen und Dentalgeräten wie transparenten Alignern und Brücken.

Diese Fortschritte werden durch die Entwicklung von Materialien vorangetrieben, die zunehmend für die längerfristige Verwendung im menschlichen Mund zertifiziert werden.

3D Systems gab beispielsweise bekannt, dass sein neues biokompatibles Prothesenmaterial NextDent® Denture 3D+ Ende 2019 die 510(k)-Zulassung der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) erhalten hat. 

Das NextDent Denture 3D+ Material eignet sich für den 3D-Druck aller Arten von herausnehmbaren Prothesenbasen und entspricht den mechanischen Eigenschaften konventioneller Prothesenbasismaterialien.

In einem ähnlichen Bestreben, Dentalmaterialien zu qualifizieren Für den 3D-Druck hat sich das AM-Unternehmen Rapid Shape mit dem Dentalhersteller VOCO zusammengetan. Letzterer hat sich kürzlich auf 3D-Druckmaterialien konzentriert und ein Portfolio von Materialien in Dentalqualität in seiner V-Print-Familie auf den Markt gebracht.

Darüber hinaus hat der Schweizer Hersteller von Dentalharzen, Saremco Dental AG, hat vor kurzem ein neues Photopolymer-Harz auf den Markt gebracht. Das neue Material wurde für den 3D-Druck von dauerhaften Restaurationen wie Kronen, Inlays, Onlays und Veneers entwickelt.

Die Prüfung des Materials ergab, dass das Dentalharz heute in der Dentalindustrie gefunden vergleichbare mechanische Eigenschaften zu den traditionellen Keramikkronen hat.

Die weitere Verbreitung von 3D-Druck in der Der medizinische und zahnmedizinische Bereich hängt stark vom Tempo der Materialinnovation ab.

Nur wenn medizinisches Fachpersonal Zugang zu biokompatiblen, langlebigen und zertifizierten Materialien hat, wird es für sie eine Möglichkeit geben, mehr Patienten von personalisierten und leistungsfähigeren Medizin- und Dentalprodukten zu profitieren.

3D-Druckmaterialien für Hochtemperaturanwendungen

Der Einsatz des 3D-Drucks für Anwendungen, die erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind, schafft die Nachfrage nach hitzebeständigen Materialien.

Dies führt dazu, dass mehr Materialhersteller sowie Systemhersteller neue Materialien entwickeln und auf den Markt bringen, um der Nachfrage gerecht zu werden.

Ein Beispiel dafür ist eine Zusammenarbeit zwischen Roboze, einem italienischen Hersteller von Extrusions-3D-Druckern, und SABIC, einem Chemieriesen, an einem amorphen thermoplastischen Polyimid-Filament namens EXTEM AMHH811F.

Das neue Material zeichnet sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit dank einer Wärmeformbeständigkeit von bis zu 230°C aus. Das Material hat auch einen Glasübergang von 247°C, der nach Ansicht der Partner der höchste aller 3D-druckbaren Materialien ist. Darüber hinaus bietet es ausgezeichnete flammhemmende Eigenschaften, gute Chemikalienbeständigkeit und behält seine mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen.

Ebenso hat Essentium sein Portfolio von Materialien für seine High Speed ​​Extrusion ( HSE)-Technologie. Anwendungen für das neue Material sind unter anderem Maschinenbauteile, Vorrichtungen oder Vorrichtungen für die Luft- und Raumfahrt-, Halbleiter- sowie Öl- und Gasindustrie.

Entwicklung von Aluminiumlegierungen für die Metall-AM 

Aluminium wird einem aktuellen Bericht zufolge in den nächsten zehn Jahren die am schnellsten wachsende Metallgruppe für AM bleiben. Ein Faktor, der dieses Wachstum antreibt, ist die globale Lieferkette für Aluminium, die AM zunehmend als Chance der nächsten Generation in der Aluminiumherstellung anerkennt.

Daher ist es nur natürlich, dass die Materialentwicklung von Aluminiumlegierungen für den Metall-3D-Druck beschleunigt wird.

Eine bemerkenswerte Entwicklung ist die Zusammenarbeit zwischen dem Werkstoffexperten Oerlikon, dem Industriegaseunternehmen Linde und der Technischen Universität München (TUM).

Gefördert mit 1,7 € Millionen an Fördermitteln hat sich das Team zum Ziel gesetzt, eine neue hochfeste Aluminiumlegierung auf den 3D-Druckmarkt zu bringen.

Die Entwicklung von Aluminiumlegierungen bringt viele Herausforderungen mit sich, wie die Verdampfungsverluste von Legierungselementen und das Risiko von Mikrorissen aufgrund einer Hochtemperaturumgebung.

Das Team wird diese Herausforderungen meistern, um die neuen Legierungen für die Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie verfügbar zu machen, wo Festigkeit und reduziertes Gewicht entscheidende Anforderungen sind.

Entwicklung einer crashsicheren Aluminiumlegierung für den 3D-Druck im Automobilbereich 

In einem anderen Beispiel hat der Engineering-Konzern EDAG im Rahmen des Forschungsprojekts 'CustoMat_3D' mit Fokus auf der Anpassung von AM für die Automobilserienfertigung eine neue Aluminiumlegierung entwickelt.

Aluminiumlegierungen für AM erfüllen derzeit nicht die Anforderungen der Automobilindustrie, wie beispielsweise die Crashtest-Leistung. Das neu entwickelte Material soll diese Herausforderungen meistern, indem es sowohl höhere Festigkeiten als auch höhere Bruchdehnungen bietet.

Das Material wurde für mehrere Automobilanwendungen getestet und zeigten positive Ergebnisse. So konnten beispielsweise beim dynamischen Schwerlastradträger und einem komplexen Bauteil mit hohen Steifigkeitsanforderungen aus dem Radkastenbereich Gewicht eingespart werden. Einige der Einsparungen betrugen über 30 % des erwarteten Potenzials.

Aluminium für die Pulverbettschmelze und die direkte Energieabscheidung

Zusätzlich zu den oben genannten Beispielen gab es auch Einführungen von Aluminiumwerkstoffen von Systemherstellern. Im vergangenen Monat hat VELO3D, ein Hersteller von 3D-Druckern mit Pulverbett-Fusion (PBF) aus Metall, die Aluminiumlegierung F357 auf den Markt gebracht, die sich durch ihre Anodisierbarkeit auszeichnet.

Anodisierung ist der Prozess, bei dem eine Oxidschicht auf der Oberfläche eines Metallteils aufgebaut wird, um es vor Korrosion zu schützen oder eine bessere Oberfläche zum Lackieren bereitzustellen.

Aluminium F357-Legierung ist insbesondere in der Luft- und Raumfahrt und im Automobilsektor zunehmend nachgefragt.

Während Aluminium in PBF nach wie vor am häufigsten verwendet wird, passen einige Unternehmen das Material für die Direct Energy Deposition an, ein Verfahren, bei dem Hochleistungslaser zum Bau von Strukturen verwendet werden , Schicht für Schicht, direkt aus pulverförmigen Materialien.

Ein Beispiel dafür ist der DED-Spezialist Optomec, der Aluminiumlegierungen für seine LENS-Technologie auf den Markt gebracht hat. Seine Aluminiumlegierungen bieten nach eigenen Angaben eine hervorragende Oberflächengüte, hohe Abscheiderate und eine Dichte von rund 99,9 Prozent.

Weitere Bemühungen um die Zertifizierung von 3D-Druckmaterialien

Die Materialzertifizierung ist für die Weiterentwicklung des 3D-Drucks ebenso entscheidend wie die Materialentwicklung. Es hilft, die Konsistenz von AM-Teilen zu beweisen und den Weg für Produktionsanwendungen zu ebnen.

Es gibt fortlaufende Bemühungen, Materialien für den 3D-Druck zu zertifizieren. Eine aktuelle Studie stammt von UL, einem Zertifizierungsunternehmen für Sicherheitswissenschaften, das eine Forschungsstudie über die Auswirkungen des 3D-Drucks auf sicherheitskritische Polymerleistungseigenschaften veröffentlicht hat.

Die Ergebnisse haben es der Normungsgruppe ermöglicht, einen Rahmen für die Bewertung und Qualifizierung von Polymeren für den 3D-Druck zu entwickeln, insbesondere von flammhemmenden ABS- und PEI-Filamenten.

Laut UL "liefern die Forschungsergebnisse das notwendige Vorwissen, um Richtlinien für die Zertifizierung von Polymermaterialien für den 3D-Druck und Leitlinien für die Ausarbeitung von Anforderungen zu entwickeln".

Materialcharakterisierung 

Konsistenz ist entscheidend für die additive Fertigung. Und es beginnt mit der Kontrolle und Charakterisierung des Ausgangsmaterials.

Bei der Herstellung bestimmt die Qualität des Rohmaterials die Qualität des Endprodukts. Aber was ist ein hochwertiges AM-Material und wie ist diese Qualität zu bewerten? Bei pulverförmigem Material ist die Qualität beispielsweise das Produkt von Dutzenden von Variablen, einschließlich der Partikelgröße, Morphologie, thermischen Eigenschaften, Feuchtigkeitsaufnahme und mehr.

Bei so vielen Faktoren, die die Materialqualität beeinflussen, wird die Materialcharakterisierung – ein Prozess der Untersuchung und Messung von Materialeigenschaften zum Verständnis der Materialleistung – entscheidend.

Deshalb ist es spannend zu sehen, wie Unternehmen in den Bereich der Materialcharakterisierung für AM einsteigen. | für chemische Zusammensetzungsanalyse, Pulversiebanalyse, Partikelgrößenverteilung, Durchflussrate und andere Tests – alles um sicherzustellen, dass das Pulver authentisch, rein, einheitlich und verarbeitungsfertig ist.

3D-Druckmaterialien:Der sich entwickelnde Sektor 

Die Nachrichten über neue Entwicklungen, Partnerschaften und Standardisierungsaktivitäten im Bereich 3D-Druckmaterialien erscheinen fast täglich. Dies weist auf einen dynamischen Sektor hin, der als Reaktion auf die Nachfrage nach fortschrittlichen, produktionsorientierten Materialien wächst.

Für die Zukunft erwarten wir, dass das Tempo der Materialinnovationen zunehmen wird, die Materialauswahl erweitert und neue Möglichkeiten und neue Märkte für den 3D-Druck erschlossen werden.

Um mehr über den Stand des Marktes für 3D-Druckmaterialien zu erfahren, lesen Sie unseren neuesten Bericht zur Additive Manufacturing Landscape 2020 hier .